[論文レビュー] Galaxy fields of LISA massive black hole mergers in a simulated Universe

Gaia Lops, David Izquierdo–Villalba+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Relativity and Gravitational Theory被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ミレニアム-I合体木を用いたL-Galaxies半アナリティカルモデルを用い、z ≤ 3の範囲で合計質量3×10⁵–3×10⁷ M☉のLISAが検出する質量ブラックホール二重星（MBHBs）の宿主銀河をシミュレートした。LISAの天球位置特定精度は合体時でも依然として広く（≥10²個の銀河を含む）直接の宿主同定が困難であるが、活動銀河核（AGNs）のX線対応体を用いることで同定が可能となる。eROSITAはやや明るいAGNの約10%を除外可能であり、今後のX線望遠鏡（O₃など）はz ≤ 1のシステムにおいて、合体の10時間前までに<0.1時間の露出時間で合体前のAGNを検出可能であり、LISA-Taijiネットワークの支援によりマルチメッセンジャー追跡が可能となる。

ABSTRACT

LISA will extend the search for gravitational waves (GWs) at $0.1\,{-}\,100$ mHz where loud signals from coalescing binary black holes of $ 10^4 \,{-}\,10^7\, m M_{\odot}$ are expected. Depending on their mass and luminosity distance, the uncertainty in the LISA sky-localization decreases from hundreds of deg$^2$ during the inspiral phase to fractions of a deg$^2$ after the merger. By using the semi-analytical model L-Galaxies applied to the Millennium-I merger trees, we generate a simulated Universe to identify the hosts of $z\,{\leq}\,3$ coalescing binaries with total mass of $3\,{ imes}\,10^{5}$, $3\,{ imes}\,10^6$ and $3\,{ imes}\,10^7 m M_{\odot}$, and varying mass ratio. We find that, even at the time of merger, the number of galaxies around the LISA sources is too large (${\gtrsim}\,10^2$) to allow direct host identification. However, if an X-ray counterpart is associated to the GW sources at $z\,{&lt;}\,1$, all LISA fields at merger are populated by ${\lesssim}\,10$ AGNs emitting above ${\sim}\, 10^{-17} \, m erg\,cm^{-2}\,s^{-1}$. For sources at higher redshifts, the poorer sky-localization causes this number to increase up to ${\sim}\, 10^3$. Archival data from eRosita will allow discarding ${\sim}\, 10\%$ of these AGNs, being too shallow to detect the dim X-ray luminosity of the GW sources. Inspiralling binaries in an active phase with masses ${\lesssim}\,10^6 m M_{\odot}$ at $z\,{\leq}\,0.3$ can be detected, as early as $10$ hours before the merger, by future X-ray observatories in less than a few minutes. For these systems, ${\lesssim}\,10$ AGNs are within the LISA sky-localization area. Finally, the LISA-Taiji network would guarantee the identification of an X-ray counterpart $10$ hours before merger for all binaries at $z\,{\lesssim}\,1$.

研究の動機と目的

• 宇宙論的に代表的なシミュレートされた宇宙空間において、LISAが検出する質量ブラックホール二重星（MBHBs）の宿主銀河を特定すること。
• MBHBに関連する活動銀河核（AGNs）のX線対応体を用いた宿主銀河同定の可能性を評価すること。
• 将来のX線望遠鏡がMBHBの位置特定誤差領域内での合体前のAGNを検出するための露出時間要件を評価すること。
• LISA-Taijiネットワークが合体の10時間前にX線対応体の同定を保証できる条件を特定すること。
• 赤方偏移と二重星質量がLISAの位置特定領域内のAGN数とその検出可能性に与える影響を定量すること。

提案手法

• ミレニアム-I合体木にL-Galaxies半アナリティカルモデルを適用し、z ≤ 3の範囲で合計質量3×10⁵、3×10⁶、3×10⁷ M☉のMBHBを有する銀河の合成集団を生成した。
• モデルはMBHBの準拡散および合体の過程を追跡し、Eddington限界吸着を仮定し、水素吸収層密度が10²¹.⁵ cm⁻²であると仮定して、吸着輝度とX線フラックスを推定した。
• LISAの天球位置特定誤差領域をシミュレートし、準拡散期には数100 deg²から合体後には数分の1 deg²に減少する不確実性を反映した。
• 各LISA位置特定領域内に存在するAGNの数を算出し、0.5–2 keVおよび2–10 keVバンドでフラックス限界が約10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹であると仮定した。
• 3つの将来のX線望遠鏡（O₁、O₂、O₃）の感度曲線とAGNの推定X線フラックスに基づき、露出時間要件を計算した。
• LISA-Taijiネットワークが合体の10時間前に源を特定できる能力を、X線対応体検出の観点から評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合体時におけるLISAの天球位置特定誤差領域内に予想される銀河数はどの程度で、X線対応体による同定は可能か？
• RQ2 LISAの位置特定領域内に存在するAGNのうち、eROSITAが検出可能な割合はどれくらいか？また、感度限界以下で除外される明るさのAGNはどれくらいか？
• RQ3 異なる赤方偏移と質量における、合体前のAGNを検出するための将来のX線望遠鏡の最小露出時間はどの程度か？
• RQ4 LISA-Taijiネットワークは、z ≤ 1のすべてのMBHBに対して、合体の10時間前にX線対応体の検出を保証できるか？
• RQ5 二重星質量と赤方偏移に応じて、AGNのX線輝度と検出可能性はどのように変化するか？

主な発見

• 合体時、LISAの天球位置特定領域には依然として≥10²個の銀河が含まれており、銀河数え上げによる直接の宿主同定は非現実的である。
• z < 1のMBHBでは、合体時のLISA領域内に、軟X線バンドで約10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹以上の輝度を発するAGNは最大10個までであり、X線追跡観測により同定が可能である。
• eROSITAは、感度限界以下に位置するやや明るいAGNの約10%を除外可能である。
• 将来のX線望遠鏡O₃は、3×10⁷ M☉のMBHBに関連するEddington限界AGNを、赤方偏移に依存せず、軟X線および硬X線バンドの両方で0.1時間未塔で検出可能である。
• z ≤ 0.3の3×10⁵–3×10⁶ M☉のMBHBでは、O₃が合体の10時間前に軟X線バンドで0.1時間未塔の露出時間でX線対応体を検出可能である。
• 活性でX線が明るいAGNが存在する限り、LISA-Taijiネットワークはz ≤ 1のすべてのMBHBに対して、合体の10時間前にX線対応体の検出を保証できる。